Imaginile in care este infatisat universul sunt intotdeauna fascinante. Universul este umplut cu gaz, praf, roci, planete, stele, galaxii si superclustere, multe dintre ele putand fi observate cu un telescop. Cantitatea de “chestii” din univers sfideaza masuratorile, insa asta nu i-a impiedicat pe oamenii de stiinta sa incerce timp de multe decenii. Acum acestia au propus ideea ca aproximativ 95% din univers este invizibil – nu poate fi vazut, masurat sau detectat. Numita “materie neagra” pentru ca nu absoarbe, radiaza sau reflecta lumina, aceasta chestie anormala continua sa-i deruteze pe fizicieni. Oamenii de stiinta ii pot confirma existenta, insa ofera diverse teorii cand vine vorba de compozitia sa. In afara de curiozitate, isi dau seama ca existenta materiei negre va determina forma si destinul final al universului. Pentru a intelege mai bine cat de importanta este cautarea materiei negre, cititi in continuare acest articol.
Unul dintre primele indicii legate de faptul ca intelegerea universului era gresita a venit atunci cand astronomii au fost capabili sa masoare viteza stelelor in discurile de rotatie si nimburile galaxiilor invecinate, la distante diferite de protuberanta centrala si planul discului. Majoritatea galaxiilor, inclusiv Calea Lactee, au forma unui disc, cu o concentratie de stele vizibile in protuberanta din centru. Oamenii de stiinta echivaleaza stralucirea stelelor cu masa acestora. Prin masurarea luminozitatii si a numarului de stele dintr-o galaxie, acestia pot sa estimeze masa totala a galaxiei si, prin observare, cea mai mare parte din masa se afla in protuberanta centrala. Ei au presupus ca aceasta masa centrala ar trage stelele din jur, determinand rotirea intregii galaxii, la fel cum soarele nostru masiv face ca planetele sa orbiteze.
Ca si in cazul soarelui nostru, atractia gravitationala a masei scade odata cu distanta obiectelor rotative (planetele), determinandu-le pe cele mai apropiate sa aiba o viteza mai mare decat cele indepartate. Totusi, acestia au observat ca viteza este constanta. In plus, obiectele din nimburile galaxiilor deasemenea se miscau la aceleasi viteze constante. Masele solare cumulative ale tuturor stelelor pur si simplu nu puteau explica acest lucru, prin urmare, s-a decis ca trebuie sa existe o materie nevazuta care avea un efect gravitational, dar nu reactiona din punct de vedere electromagnetic, nu absorbea sau reflecta lumina si nu reactiona din punct de vedere chimic. Aceasta era invizibila pentru orice fel de masuratoare, cu exceptia gravitatiei. La inceput, calculele pentru a stabili cat de multa materie neagra exista in univers au fost conservatoare. De-a lungul ultimilor ani, estimarile au crescut de la 15% pana la 95%.
Efectul de lentila
In teoria relativitatii a lui Einstein, spatiul in sine pare sa se curbeze in prezenta masei. Deci, chiar daca particulele de lumina calatoresc in linii drepte, spatiul curbat denatureaza unghiul de vedere, lumina ajungand la observator din mai multe parti, in loc de o singura directie. Pentru ca efectul sa functioneze, masa obiectului eclipsant trebuie sa fie uriasa (capabila sa curbeze spatiul). In mod experimental, efectul a fost observat in cazul galaxiilor indepartate si in cazul soarelui nostru, permitandu-le astronomilor sa calculeze masa obiectului care creeaza distorsiunea. Insa, atunci cand efectul a fost observat intr-un cluster galactic urias, masa estimata a fost prea mica pentru a crea distorsiuni. Se intampla ceva ciudat. Oamenii de stiinta si-au pus intrebarea “Unde este masa?”.
Unul dintre exemplele clasice in ceea ce priveste dovezile care sustin existenta materiei negre provine din observatiile unui cluster urias de galaxii (peste o suta de galaxii, fiecare dintre ele la fel de mare sau chiar mai mare decat Calea Lactee), numit Abell 1689. Daca priviti cu atentie acest cluster, veti observa ca exista unele galaxii care par a fi curbate, creand un efect asemanator cu farurile unei masini vazute printr-un parbriz zgariat. Astronomii au fost derutati de acest lucru, pana cand si-au dat seama ca galaxiile distorsionate erau imagini ale unor galaxii indepartate situate in spatele clusterului – lumina lor era curbata, intrucat era distorsionata de gravitatia clusterului.
Examinarea clusterului nu a reusit sa arate ca exista suficienta masa pentru a cauza acest lucru. Chiar daca aceste clustere de galaxii sunt foarte mari, estimarea tuturor maselor solare tot nu ar putea fi capabila de o asemenea realizare. Abia cand Telescopul Chandra cu raze x a fotografiat emisiile gazelor extrem de fierbinti, oamenii de stiinta si-au dat seama ca intregul cluster era cuprins intr-un nor de “ceva”. Intelegerea actuala atribuie acest “ceva” materiei negre.
Lentila gravitationala nu este ceva nou. Prezisa de Einstein, au fost observate cateva exemple excelente pe distante mici, prin gravitatia unei singure galaxii. Un primplan al clusterului de galaxii Abell arata un exemplu dramatic de distorsionare de la efectul de lentila. Mai degraba decat o pata simetrica, astronomii cred ca norul de materie neagra ar putea fi alungit, avand orientarea de-a lungul liniei noastre de vedere. Cu alte cuvinte, noi am putea privi prin cea mai lunga si cea mai groasa parte a unui filament de materie neagra, fapt care ar explica galaxiile marite din centrul “lentilei”.
Materia neagra – care sunt posibilitatile?
Orice ar fi, materia neagra pare sa fie “constienta” de materia vizibila cu care suntem familiarizati. Aceasta aduna si formeaza un cocon, numit “nimb de materie neagra”, care inghite galaxia, contribuind la masa totala a acesteia si permitand miscarile stelelor care au fost observate. Nimbul este distribuit in mod uniform, fara nicio concentrare in protuberanta galactica. Ea nu pare sa se atraga gravitational asa cum o face materia normala. De asemenea, nu se strange in grupuri si nu se concentreaza. Materia neagra nu se afla peste tot. Aceasta a fost detectata gravitational in regiuni din spatiu care sugereaza ca este distribuita in filamente enorme, care devin mai tarziu locul de nastere al stelelor. Exista cateva teorii interesante legate de structura materiei negre.
Cand oamenii de stiinta descriu “chestii”, ei vorbesc de obicei de doua posibilitati. O idee este numita particule masive slab interactive (PMSI). Fara a ne complica prea mult, particulele masive slab interactive sunt similare cu neutrinii care pot trece chiar si prin pamant. Fiecare centimetru patrat al corpului uman este strabatut de 60 de miliarde de neutrini pe secunda. Insa particulele masive slab interactive au o masa mai mare. Se crede ca aceste particule interactioneaza numai in spectrul fortei nucleare slabe – este incapabila de orice activitate electromagnetica. Desi este doar o teorie, au fost detectate particule considerate a fi PMSI in camere subterane destinate a masura “lovitura” infima care se intampla ocazional atunci cand o PMSI loveste un atom. Aceasta posibilitate (ca materia neagra este o particula necunoscuta anterior) pare a fi cea mai promitatoare.
MACHO reprezinta un acronim pentru obiecte masive compacte – teoria rivala pentru materia neagra. Acest lucru presupune ca materia invizibila este compusa din protoni, neutroni si elemente cu care suntem familiarizati (atomi), dar aceasta a fost comprimata si preparata intr-o reteta speciala, facand electronii (daca acestia inca exista) inaccesibili pentru orice interactiune exterioara.
Obiectele masive compacte pot fi gauri negre sau stele neutronice, precum si pitice maro sau planete neasociate. Piticele albe si piticele rosii foarte slab iluminate au fost deasemenea propuse drept candidate MACHO. Recent, au existat unele critici la adresa acestei posibilitati, deoarece gaurile negre produc un nimb luminos de gaz si praf care se formeaza in jurul lor, ca un disc de acumulare atras de gravitatia lor. Un asemenea disc poate genera jeturi de gaz care sunt expulzate din gaura neagra deoarece nu poate fi absorbit indeajuns de repede. Iar acest lucru nu se potriveste cu comportamentul materiei negre. De asemenea, materia neagra pare sa fie distribuita in mod uniform, aproape omogen.
Filamente de materie neagra
In afara de faptul ca pandeste in nimburile galaxiilor, materia neagra pare sa formeze filamente asemanatoare cu niste schele prin tot universul, filamente care devin casa pentru noi stele si galaxii. Un observator a detectat dovezi care atesta existenta unui filament de materie neagra, contribuind la ideea ca galaxiile mari sunt grupate impreuna in structuri similare cu niste bule de sapun uriase, cu galaxii mai mici presarate pe suprafata acestui strat de “sapun”. Observatiile de la Universitatea Tel Aviv ofera noi forte acestei teorii. O echipa condusa de Noah Brosch de la Observatorul Wise a fost prima din lume care a descoperit ceea ce par a fi urme vizibile ale unui filament de materie neagra. Un filament poate proveni de la intersectia dintre doua “baloane de sapun”, unde membrana subtire este mai groasa.
si cercetatorii de la Universitatea Cornell au studiat o zona a cerului aflata in partea opusa constelatiei Virgo, unde 14 galaxii se formau in linie. Expertii au numit-o “Podul spre Nicaieri”, deoarece pare sa inceapa si sa se termine in locatii necunoscute. In mod ciudat, 13 din acBrosch impreuna cu studentul sau Adi Zitrin este galaxii dadeau nastere unor stele noi in mod simultan. Sansele ca acest eveniment sa aiba loc sunt foarte rare, fapt care i-a determinat pe cercetatori sa creada ca galaxiile s-ar putea forma pe acest filament evaziv, realizat in intregime din materie neagra, care atrage materie normala ce se transforma apoi in stele noi.
A existat de mult timp o convingere teoretica a acestui lucru, insa aceasta noua descoperire reprezinta rezultatele experimentale ca un astfel de filament exista si ca este posibil ca o entitate realizata in intregime din materie neagra sa fie cea care aliniaza acele galaxii. In general vorbind, materia asa cum o cunoastem noi pe Pamant reprezinta doar un mic procent din universul nostru. Compozitia celei mai mari parti a universului este necunoscuta – fie este materie neagra (aproximativ un sfert din univers), fie este energie neagra (celelalte trei sferturi). Universul cunoscut reprezinta doar aproximativ 4,6% din ceea ce exista.
Importanta materiei negre
Oamenii de stiinta care cred in teoria Big Bang-ului isi imagineaza o explozie care se extinde uniform in toate directiile, ca un balon in expansiune. Masurarea vecinelor noastre arata ca acestea se indeparteaza de noi, pe masura ce prapastia dintre tot ce exista devine tot mai mare si se extinde tot mai rapid. Deoarece toate acestea se petrec destul de lent, nu prea ne pasa de ele. Dar pentru oamenii de stiinta care viseaza la asemenea lucruri, materia neagra ar putea insemna fie ca universul se va opri in cele din urma, apoi se va dezumfla si va reveni la o singularitate, fie ca acesta se va extinde la infinit. Inainte de introducerea materiei negre in ecuatii, universul parea ca se va prabusi in sine in cele din urma. Masa totala era bazata pe luminozitatile stelelor si galaxiilor. Acum, cu aceasta masa suplimentara a materiei negre teoretice, plus ceva numit “energie neagra”, s-ar putea sa existe suficient de multa energie si materie pentru a depasi prabusirea. Oamenii de stiinta cred ca universul este in esenta plat si se poate extinde la infinit, in toate directiile.
